自動控制元件

一.（20分）1.1臺永磁直流力矩電機，反電勢系數(shù)摩擦轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)動慣量kg?m，電感H。連

續(xù)堵轉(zhuǎn)時電流，電壓。

（1）求機電時間常數(shù)，電磁時間常數(shù)，連續(xù)堵轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。

（2）電樞電壓二25V,求起動時的輸出轉(zhuǎn)矩和此電壓對應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速。

（3）電機轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩時，求電樞電壓和輸出

轉(zhuǎn)矩心。

（4）寫出該電機的傳遞函數(shù)O（s）/U“（s）。

2.輸入信號是電樞電壓，輸出信號是電機轉(zhuǎn)角。。繪出直流電動機動態(tài)框圖，標(biāo)出，

及擾動力矩。

第1頁（共30頁）

3.繪出直流電動機電樞控制的調(diào)節(jié)特性和機械特性曲線，標(biāo)出始動電壓、理想空載轉(zhuǎn)速

和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，標(biāo)出電動機、發(fā)電機和反接制動狀態(tài)。

4.直流電動機的主要優(yōu)點和缺點是什么？

5.電機鐵心多用硅鋼片疊壓而成。采用片狀材料的目的是什么？

6.性能優(yōu)良的永磁直流力矩電動機現(xiàn)在一般采用什么永磁材料？

7.與直流伺服電動機相比，直流力矩電動機的、有什么特點？電樞的幾何形狀有什

么特點？

二.（20分）

1.異步電動機等效電路圖中上的熱損耗表示什么？

2.簡述兩相對稱繞組產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場的條件。

3畫出兩相電機幅相控制時的電路圖。

3.磁場表示什么磁場？為什么？

4.繪出圓形旋轉(zhuǎn)磁場時異

步電動機的兩條典型機械

特性曲線（轉(zhuǎn)子電阻大和?。?。

5.推導(dǎo)兩相伺服電動機傳遞函數(shù)，并說明其中的參數(shù)與靜態(tài)特性曲線的關(guān)系。

自動控制元件

6.繪出三相異步電動機

從基頻向下變頻調(diào)速時

的機械特性。

7.異步電動機從基頻向下變頻調(diào)速時，若電壓保持不變將產(chǎn)生什么現(xiàn)象？用公式說明。

8.一臺三相異步電動機空載轉(zhuǎn)速是1450r/min,電源頻率50Hz。這是幾極電機？為什

么？

三、（7分）

1.簡述永磁同步電機同步運行時的工作原理，畫出必要的圖形，寫出電磁轉(zhuǎn)矩公式。

2.寫出磁阻同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩表達式并說明參數(shù)的含義。

3.哪種同步電動機不加鼠籠繞組就能

自行起動并具有較大的起動轉(zhuǎn)矩？

（）

繪出它的機械特性曲線。

四、（11分）

1.步進電動機轉(zhuǎn)角的大小取決于控制脈沖的（）,轉(zhuǎn)速大小取決于控制脈沖的

第4頁（共30頁）

（）o

控制脈沖頻率增高，步進電機的負載能力下降，主要原因是:

2.磁阻式步進電動機有A.B.C.D四相。繪出A和B極下，當(dāng)A通電，B通電，和AB通電

時，定子、轉(zhuǎn)子齒的相對位置。

3.磁阻式步進電動機小失調(diào)角時的傳遞函數(shù)（輸出是轉(zhuǎn)角0）是:

4.兩相混合式步進電動機，產(chǎn)品說明書給出步距角為1.8。，若采用8細分驅(qū)動電路，步

距角是（）o

5.從用戶使用角度看，在位置伺服系統(tǒng)中，全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)與直流伺服電動機有

什么不同之處？

6.目前批量生產(chǎn)的無刷直流電動機（交流伺服電動機）常用的位置傳感器有哪兩類?

五、（20分）

1.畫圖解釋傳感器的重復(fù)性誤差。

2.旋轉(zhuǎn)變壓器如右圖。完成原邊補償和

副邊補償?shù)倪B線。

電壓有效值。町3=

感應(yīng)同步器鑒相型信號處理方式中，

輸出電壓色二o

3.畫出直流測速發(fā)電機理想輸出

電壓與實際輸出電壓曲線，并在

圖中說明誤差產(chǎn)生的原因。

4.光電增量碼盤每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1000個脈沖，分辯率為

增量碼盤為什么用兩個光電轉(zhuǎn)換器而不是一個？

增量碼盤為什么要尋零？怎樣尋零？

5.畫出采用電位器測量正、負

位移的線路圖。

6.螺桿型差動變壓器用來o

輸出電壓表達式是o

7.熱敏電阻傳感器是根據(jù)（材料）電阻與溫度之間的關(guān)系制成的。它的主要

優(yōu)點是什么？

六、（9分）1.PWM功放電路和雙極性

輸出時的輸入電壓如圖。設(shè)電流連續(xù)。

?儼

1）繪出輸出電壓波形。

2）分別繪出電動機狀態(tài)、發(fā)電機狀態(tài)

和輕載時電流"波形。

3）,電動機狀態(tài)，指出一周期內(nèi)

電流流經(jīng)的路線。

2.PWM功率放大器包括和兩部分。

工PWM電路中，提高頻率將使晶體管功耗.

（1）減小（2）不變（3）增加。

4.異步電動機變頻器輸出的電壓是波形。

5.用數(shù)據(jù)說明線性功放的主要缺點。

七、（13分）

寫出閥控液壓馬達的傳遞函數(shù)，說明輸入量和輸出量的含義并說明傳遞函數(shù)參數(shù)的特

點O

與電動機相比，液壓動力機構(gòu)的主要優(yōu)、缺點是什么？

3.標(biāo)示出圖示液壓馬達的旋轉(zhuǎn)方向。這是向式液壓馬達。

4.航天器中陀螺傳感器有哪兩項作用？

5.圖示為電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。簡述工作原理。若采用靜電力平衡式的

工作方式，解釋“靜電力平衡式的工作方式”，并說明它的優(yōu)點。

導(dǎo)電引出線氣隙

導(dǎo)電環(huán)氧樹脂硅梁敏感質(zhì)量

八、附加題

1.求圖示功率放大器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)

%

2.兩相繞組匝數(shù)都是，電流分別為。證明合成磁場是圓形旋轉(zhuǎn)磁場。（提示）

參考答案

33

一、1.(1)rm=4x10s,rc=5x10s,7]=10N-m

(2)T20=12.3N-m,6920=12.3rad/s

(3)4=24V,7；0=1.8N-m

/八O(s)0.50.5

(4)-----=-------------------x------------------

U/s)(0.04s+1)(0.005$+1)0.00002/+0.04s+1

2.框圖如下。

3.特性曲線如下。

4.優(yōu)點：力矩大，控制容易。

缺點：有機械換向器，有火花，摩擦大，維護較復(fù)雜，價高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

5.減小渦流損耗。

6.鈦鐵硼。

7.大，電樞扁平狀。

二、L電機一相繞組產(chǎn)生的機械功率。

2.兩相電流相位差：

兩相電壓相位差90。，幅值不等。

3.

4.特性曲線見圖。

5.T=J—,a)=a)B,T\n

dr

d（o

GG）0=T^-

UG）-J四s+1

oT

g:調(diào)節(jié)特性斜率。繪:機械特性斜率。

8UdT

6.特性曲線見圖。

7.電機額定工作狀態(tài)時鐵心磁密接近飽和，如圖。

U不變,o電流過大,電機過熱損壞。

8.4極，

三、1.

2.工作原理見圖。T=K(RtfUi-Rmd)sin20

R,*Rmd:交軸和直軸磁阻。

3.磁滯同步電機。特性曲線見圖。

四、1.個數(shù)；頻率；繞組電感的影響。

2.

4.0.225°

5.數(shù)字交流伺服系統(tǒng)：控制簡單，用脈沖做輸入信號，直接控制位置。內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)

雜，產(chǎn)生高頻電壓擾動。

直流電動機：需要另外配置傳感器，功率放大器，補償電路組成系統(tǒng)。

6.霍爾元件；旋轉(zhuǎn)變壓器，光電碼盤。

五、1,輸入按同一方向多次變化時的誤差。

2.

e2=kUmsin(cot+0e)

3.曲線見圖。

4.0.36°o

辨別轉(zhuǎn)動方向。

尋找轉(zhuǎn)角的基準(zhǔn)位置，以便求絕對位置。無限位時，開機后向某一方向轉(zhuǎn)動，直到產(chǎn)生冬位脈沖。

有限位時，開機后向一方向轉(zhuǎn)動，找不零位時再反轉(zhuǎn)。

5.線路見圖。

6.測線位移。u=Kx。

7.半導(dǎo)體(金屬氧化物)。

靈敏度高，熱慣性小，體積小，價格低。

六、1.(1),(2)波形見圖。

(3)0Gf7；fAf6-7；f地

"T地一>D、―>A—>B—>D、—>U

2.脈寬調(diào)制器；開關(guān)放大器。

3,增加。

4.SPWM

5.效率低，晶體管功耗大，不能輸出大功率。例如,

電源電壓50V,電流20A,功率1000Wo電機電壓10V,晶體管

管耗。

七、1.傳遞函數(shù)為

K]X(s)-K2(Ty+l)7；G)

0(5)=

/『27

5(—yH---5+1)

C0~CO

0：輸出,轉(zhuǎn)角。

X：輸入、滑閥位移。

:外負載力矩。

特點：小，剛度大。C小,阻尼小，不利。非線性嚴(yán)重，某些參數(shù)變化大。

2.優(yōu)點：力矩大；尺寸小，重量輕；剛度大。

缺點：需要專門液壓源；漏油；維護麻煩。

3.軸；柱塞。順時針轉(zhuǎn)動，見圖。

4.測運動體的角位置和角速度。

5.加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生位移。，6變化，引起電容變化，測出電容可知位移§和

加速度。

靜力平衡：加電壓，靜電力使質(zhì)量塊不動，由電壓可知加速度。

優(yōu)點：靈敏度高，精度高。

八、L”R2R?+R3

%R3R[+R、

2.

—kWIsin("+x)+—kWIsin(m-x)

22

F=F<+Ff=yflkWIsin(初一x)

班號

自動控制元件及線路姓名

考試題

題號—?一三四五七八九十總分附加題

分數(shù)

一、控制系統(tǒng)由哪幾部分組成？各有什么作用？（畫出系統(tǒng)組成框圖）（X分）

二、什么是電樞反應(yīng)？對機械特性有什么影響？（畫出相應(yīng)的機械特性曲

線）（5分）

三、直流電機有幾種工作狀態(tài)？電壓與反電勢，電流，電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，能

量關(guān)系，在各狀態(tài)下如何？（6分）

四、（1）變壓器空載時主磁通是6m,當(dāng)加上負載后主磁通是多少？（2）

一臺變比為k=2的變壓器，原邊額定電壓為110V,額定頻率為50Hz,問能否

接到以下電源上，并說明原因？（6分）

a.直流110V；

b.交流220V,f=50Hz；

c.交流220V,f=100Hz；

五、什么是自轉(zhuǎn)現(xiàn)象？如何消除兩相伺服電機自轉(zhuǎn)現(xiàn)象？畫出相應(yīng)的機械

特性曲線分析。（8分）

六、交流電機有幾種調(diào)速方法？都是什么？變頻調(diào)速時為什么要變頻變

壓？畫出變頻調(diào)速時的機械特性曲線？（T—n）（8分）

七、用磁場的方法分析三相交流電機發(fā)生一相斷相時，機械特性和電流如何

變化？（5分）

八、三相磁阻式步進電機有62個齒，計算單拍、雙拍制的步距角，并寫出正

反轉(zhuǎn)的通電順序,50個脈沖后電機軸分別轉(zhuǎn)過多少度？（8分）

九、分析步進電機在高頻下運行時轉(zhuǎn)距下降的原因，并畫出斬波恒流功放電

路，分析該電路的工作過程（畫出有關(guān)波形），指出該電路的特點。（12分）

十、為什么要加關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)，畫出該網(wǎng)絡(luò)，分析工作過程。（8分）

卜一、在測量元件中，說說精度，分辨率的概念以及它們的關(guān)系？（6分）

十二、有一個功率管，在感性負載下，工作電壓200V,電流15A,工作頻率

20KHz,占空比80%,通態(tài)壓降

1.5V,開通時間1.5us,關(guān)斷時間2us,該功率管的損耗是多少？（5分）

十三、有一對完全相同的直流電機組成電動機一一發(fā)電機組，激磁電壓為

110V,電樞電壓100V,電樞電阻為Ra=75Q,當(dāng)電動機電樞加100V電壓時,

電動機的電樞電流為0.1A,機組的轉(zhuǎn)速為3000r/min,問：（15分）

（1）發(fā)電機空載時的電樞電壓為多少？

（2）電動機的供電電源為U0V電壓源，電源的內(nèi)阻為25。，而發(fā)電機接上

0.5k。負載時，機組的轉(zhuǎn)速是多少？

自動控制元件及線路試題

多項選擇：以下各題有一個或多個正確答案，請選擇正確答案標(biāo)號填于題后答案中。（2（）

分）

1.電機和變壓器中鐵芯采用硅鋼片迭壓而成是為了（）

A.減小磁滯損耗B.增加導(dǎo)磁率C.減小渦流損耗D.增加耦合系數(shù)

答案（）

2.通常直流電機定子包括

A.電刷B.換向器B.電樞繞組D.激磁繞組

答案（）

3.直凌電機和感應(yīng)式異步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯采用（）

A.硬磁材料B.順磁材料C.抗磁材料D.軟磁材料

答案（）

4.一磁阻式步進電機正常運行時每步步距誤差可達0.2度，若該電機正常運轉(zhuǎn)100步，總

的轉(zhuǎn)角誤差是（選出最明確的答案）

A.小于等于20度B.小于等于10度C.大于等于10度D.小于等于0.2度

答案（）

5.直流電機換向火花隨以下情況增大

A.電樞電流增大B.電機轉(zhuǎn)速增大C.電機負載轉(zhuǎn)矩增大D.電樞電壓提高

E.換向器表面變粗糙

答案（）

6.一電源變壓器原邊空載電流隨以下情況增大

A.變壓器鐵芯磁阻減小B.變壓器鐵芯磁阻增加

C.變壓器原邊線圈匝數(shù)增加D.變壓器鐵芯氣隙增大

答案（）

7.兩相交流伺服電機轉(zhuǎn)予繞組回路電阻選的較大是為了

A.提高電機效率B.增力I」電機轉(zhuǎn)矩C.使電機機械特性具有良好的線性度

D.消除單相自轉(zhuǎn)

答案（）

8.直流電動機有以下工作狀態(tài)

A,電動機狀態(tài)B.過流運行狀態(tài)C.發(fā)電機狀態(tài)D.反接制動狀態(tài)

E.能耗制動狀態(tài)F.欠負荷狀態(tài)

9.選出正確項

A,增量式光電編碼器應(yīng)用時不用尋找零位

B.自整角機是測量角位移的元件

C.感應(yīng)同步器是測量電流的元件

D.異步電機的換向器和電刷機構(gòu)較直流電機簡單

E.力矩電機電樞（轉(zhuǎn)子）長度與直徑之比較小

F.通常三相異步電動機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩小于最大轉(zhuǎn)矩

G.異步電動機輸出最大功率出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速時

H.光電編碼器（光柵）是一種位移測量元件

I.直流電動機轉(zhuǎn)子依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)

J.將輸入三相電機的三相交流電源中任意兩相對掉就可以改變該電機的轉(zhuǎn)向

答案（）

一、簡答題（30分）

推導(dǎo)直流電機機械特性，并根據(jù)該特性分析有幾種調(diào)速方案？它們是什么？

（10分）

一電源變壓器原邊為220V,50Hz交流，有三個副邊繞組，其額定值分別為：副邊一為

SV,15A；副邊二為12V,5A；副邊三為24V,10A。

求該變壓器原邊的額定電流Ie=?（5分）

3）畫出直流電機的動態(tài)方框圖？（5分）

4）畫出一個溫度閉環(huán)自動控制系統(tǒng)原理方框圖（10分）

二、計算分析題（25分）

1）一交流異步電機已知頷定轉(zhuǎn)速ne=1200（rpm）,電源頻率為f=50Hz,問這是幾極電

機？額定轉(zhuǎn)差率Se=?（5分）

三、2）一直流電機，額定電壓Ua=220V,額定電流Ia=0.8A,額定轉(zhuǎn)速n=36OO（rpm）,

電樞電阻Ra=50Q,空載阻轉(zhuǎn)矩T0=0.02N?M,求該電動機的額定負載轉(zhuǎn)矩Te和理

想空載轉(zhuǎn)速n0?在上述情況下，輸出轉(zhuǎn)矩為1N-m時轉(zhuǎn)速nl=？（10分）

四、3）一四相磁阻式步進電機，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Zr=5O（齒），請計算出單拍制和雙拍制

的步距角Obi=？和0b2二？，并分別列出單相（或雙）單拍制時，正、反向旋轉(zhuǎn)要求

的通電順序和一個雙拍制時的通電順序。（1（）分）

五、論述（25分）

1）論述三相異步電動機的調(diào)速方法（從方法、特點及控制性能等方面）（12分）

2）綜述驅(qū)動直流電機的功率放大器（從類型、特點及選用等方面）（13分）

一.（20分）1.兩臺完全相同的永磁直流電動機的軸連在一起組成電動機-發(fā)電機組。每臺電機，電阻

,電感，轉(zhuǎn)動慣量。

（1）電動機電壓，電流。發(fā)電機不接負載，此時機組轉(zhuǎn)速。求發(fā)電機電樞電壓和每臺電機的空

載阻轉(zhuǎn)距。

（2）可動機電壓，發(fā)電機電樞端接負載電阻。求機組轉(zhuǎn)速，電動機電流，發(fā)電機電樞電流。

（3）求電機本身的機電時間常數(shù)乙、電磁時間常數(shù)7,和傳遞函數(shù)（轉(zhuǎn)角為輸出量）。

2.輸入信號是電樞電壓，輸出信號是電機轉(zhuǎn)角0o繪出直流電動機動態(tài)框圖，標(biāo)出，及擾動

力矩,

3.繪出直流電動機電樞控制的

機械特性曲線，標(biāo)出理想空載

轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，標(biāo)出電動機、

發(fā)電機和反接制動狀態(tài)。

-//(kA/m)

4.在右側(cè)3條去磁曲線上添寫適當(dāng)?shù)牟牧厦Q。

5.為了獲得大轉(zhuǎn)矩，直流力矩電機電樞形狀為（）。

設(shè)電樞體積、磁密、電流和導(dǎo)線息長度不變，用物理知識給予解釋。

6.直流電機電樞繞組一般放在定子上還是轉(zhuǎn)子上？

為什么這么安排?

二.（20分）

1.繪出異步電動機的等效電路并說明如何利用等效電路求電機電磁轉(zhuǎn)矩。

2.電機繞組通入交流電。單相集中繞組產(chǎn)生（）磁場。任一固定時刻，磁勢在空間的分

布波形是什么形狀？（）。單相分布繞組產(chǎn)生（）磁場。任一時刻磁

勢在空間的分布波形是什么形狀？（）注：磁場（橢圓旋轉(zhuǎn)，圓形旋轉(zhuǎn)，脈振，其

它）；分布波形（正余弦波，方波，階梯波，三角波，其它）

3.一臺三相異步電機額定轉(zhuǎn)速是940r/min,這是幾極電機？說明理由并求轉(zhuǎn)差率。

4.繪出三相異步電動機從基頻向下變頻調(diào)速時的機械特性。

此時電壓應(yīng)如何變化？用公式說明。

5.畫出兩相電機幅相控制時的電路圖

并說明電容器的作用。

6.繪出驅(qū)動用和伺服系統(tǒng)用

兩相異步電動機在圓形旋轉(zhuǎn)

磁場時的典型機械特性曲線。

它們的轉(zhuǎn)子電阻有何不同？

驅(qū)動用電機的曲線中，

指出穩(wěn)定區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)。

7.兩相繞組匝數(shù)都是，電流分別為。證明合成磁場是圓形旋轉(zhuǎn)磁場。（提示）

8.推導(dǎo)兩相伺服電動機傳遞函數(shù)，并說明其中的參數(shù)與靜態(tài)特性曲線的關(guān)系。

三、（8分）1.同步電動機中“同步”的含義是什么？

2.永磁同步電動機中基本電磁轉(zhuǎn)矩的公式是o

3.寫出電機磁阻轉(zhuǎn)矩與電角、直軸磁阻、交軸磁阻的關(guān)系式。

4.哪種同步電動機不加鼠籠繞組就能自行起動并具有較大的起動轉(zhuǎn)矩？

四、（10分）1.推導(dǎo)磁阻式步進電動機小失調(diào)角時的傳遞函數(shù)（輸出是轉(zhuǎn)角

2.兩相混合式步進電機結(jié)構(gòu)示意圖和A相通電的平衡位置

見圖。在平衡位置圖上，使轉(zhuǎn)子左轉(zhuǎn),B相通電時，標(biāo)出定

子磁極2的極性，并說明理由。

1(N)2(S)31(N)2(S)3

wim1TLW定子

thnninTU_nj山轉(zhuǎn)子

NA-AB-Bs

3.簡述圖示步進電機功放電路工作過程。若將D2斷開,

會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

Ra

控制信號

4.目前市場上流行的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)快，精度高。供貨的兩大部件是（）。

它的電機的名稱是（），采用（）波電流驅(qū)動，傳感